TY - THES A1 - Kehm, Richard T1 - The impact of metabolic stress and aging on functionality and integrity of pancreatic islets and beta-cells T1 - Der Einfluss von metabolischem Stress und Alterung auf die Funktionalität und Integrität von Langerhans-Inseln und β-Zellen N2 - The increasing age of worldwide population is a major contributor for the rising prevalence of major pathologies and disease, such as type 2 diabetes, mediated by massive insulin resistance and a decline in functional beta-cell mass, highly associated with an elevated incidence of obesity. Thus, the impact of aging under physiological conditions and in combination with diet-induced metabolic stress on characteristics of pancreatic islets and beta-cells, with the focus on functionality and structural integrity, were investigated in the present dissertation. Primarily induced by malnutrition due to chronic and excess intake of high caloric diets, containing large amounts of carbohydrates and fats, obesity followed by systemic inflammation and peripheral insulin resistance occurs over time, initiating metabolic stress conditions. Elevated insulin demands initiate an adaptive response by beta-cell mass expansion due to increased proliferation, but prolonged stress conditions drive beta-cell failure and loss. Aging has been also shown to affect beta-cell functionality and morphology, in particular by proliferative limitations. However, most studies in rodents were performed under beta-cell challenging conditions, such as high-fat diet interventions. Thus, in the first part of the thesis (publication I), a characterization of age-related alterations on pancreatic islets and beta-cells was performed by using plasma samples and pancreatic tissue sections of standard diet-fed C57BL/6J wild-type mice in several age groups (2.5, 5, 10, 15 and 21 months). Aging was accompanied by decreased but sustained islet proliferative potential as well as an induction of cellular senescence. This was associated with a progressive islet expansion to maintain normoglycemia throughout lifespan. Moreover, beta-cell function and mass were not impaired although the formation and accumulation of AGEs occurred, located predominantly in the islet vasculature, accompanied by an induction of oxidative and nitrosative (redox) stress. The nutritional behavior throughout human lifespan; however, is not restricted to a balanced diet. This emphasizes the significance to investigate malnutrition by the intake of high-energy diets, inducing metabolic stress conditions that synergistically with aging might amplify the detrimental effects on endocrine pancreas. Using diabetes-prone NZO mice aged 7 weeks, fed a dietary regimen of carbohydrate restriction for different periods (young mice - 11 weeks, middle-aged mice - 32 weeks) followed by a carbohydrate intervention for 3 weeks, offered the opportunity to distinguish the effects of diet-induced metabolic stress in different ages on the functionality and integrity of pancreatic islets and their beta-cells (publication II, manuscript). Interestingly, while young NZO mice exhibited massive hyperglycemia in response to diet-induced metabolic stress accompanied by beta-cell dysfunction and apoptosis, middle-aged animals revealed only moderate hyperglycemia by the maintenance of functional beta-cells. The loss of functional beta-cell mass in islets of young mice was associated with reduced expression of PDX1 transcription factor, increased endocrine AGE formation and related redox stress as well as TXNIP-dependent induction of the mitochondrial death pathway. Although the amounts of secreted insulin and the proliferative potential were comparable in both age groups, islets of middle-aged mice exhibited sustained PDX1 expression, almost regular insulin secretory function, increased capacity for cell cycle progression as well as maintained redox potential. The results of the present thesis indicate a loss of functional beta-cell mass in young diabetes-prone NZO mice, occurring by redox imbalance and induction of apoptotic signaling pathways. In contrast, aging under physiological conditions in C57BL/6J mice and in combination with diet-induced metabolic stress in NZO mice does not appear to have adverse effects on the functionality and structural integrity of pancreatic islets and beta-cells, associated with adaptive responses on changing metabolic demands. However, considering the detrimental effects of aging, it has to be assumed that the compensatory potential of mice might be exhausted at a later point of time, finally leading to a loss of functional beta-cell mass and the onset and progression of type 2 diabetes. The polygenic, diabetes-prone NZO mouse is a suitable model for the investigation of human obesity-associated type 2 diabetes. However, mice at advanced age attenuated the diabetic phenotype or do not respond to the dietary stimuli. This might be explained by the middle age of mice, corresponding to the human age of about 38-40 years, in which the compensatory mechanisms of pancreatic islets and beta cells towards metabolic stress conditions are presumably more active. N2 - Das steigende Alter der Weltbevölkerung ist ein wesentlicher Faktor für die zunehmende Prävalenz bedeutsamer Pathologien und Krankheiten, wie dem Typ-2-Diabetes, der durch eine massive Insulinresistenz und eine Abnahme der funktionellen Beta-Zellmasse hervorgerufen wird und in hohem Maße mit einem verstärkten Auftreten von Fettleibigkeit assoziiert ist. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation der Einfluss der Alterung unter physiologischen Bedingungen und in Kombination mit ernährungs-bedingtem, metabolischem Stress auf die Eigenschaften von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen, mit dem Schwerpunkt auf Funktionalität und strukturelle Integrität, untersucht. Primär induziert durch Fehlernährung infolge des chronischen und übermäßigen Konsums von kalorienreichen Diäten, die große Mengen an Kohlenhydraten und Fetten enthalten, kann Adipositas, gefolgt von systemischen Entzündungen und peripherer Insulinresistenz, im Laufe des Lebens entstehen und metabolische Stresszustände auslösen. Daraus resultiert ein erhöhter Insulinbedarf, der eine adaptive Reaktion durch die Vergrößerung der Beta-Zellmasse infolge gesteigerter Proliferation auslöst. Längere Stressbedingungen führen hingegen zu Schäden an und Verlust von Beta-Zellen. Es wurde zudem gezeigt, dass das Altern die Funktionalität und Morphologie von Beta-Zellen, insbesondere durch proliferative Limitationen, beeinflusst. Die meisten Studien in Nagetieren wurden jedoch unter erhöhten Stressbedingungen für Beta-Zellen, beispielsweise durch die Fütterung von Hochfett-Diäten, durchgeführt. Deshalb wurde im ersten Teil der Arbeit (Publikation I) eine Charakterisierung von altersbedingten Veränderungen auf die Langerhans-Inseln und Beta-Zellen unter Verwendung von Plasmaproben und Pankreasgewebeschnitten von C57BL/6J-Wildtyp-Mäusen verschiedener Altersgruppen (2,5; 5; 10; 15 und 21 Monate), die mit einer Standarddiät gefüttert wurden, durchgeführt. Das Altern ging mit einem reduzierten, jedoch anhaltenden Proliferationspotential der Langerhans-Inseln sowie einer Induktion der zellulären Seneszenz einher. Dies war mit einem fortschreitenden Wachstum der Langerhans-Inseln verbunden, um eine Normoglykämie während der gesamten Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Zudem wurden die Beta-Zell-Masse und die Funktionalität nicht beeinträchtigt, obwohl eine Bildung und Akkumulation von AGEs, die vorwiegend im Gefäßsystem der Langerhans-Inseln lokalisiert und von einer Induktion von oxidativem und nitrosativem (redox) Stress begleitet war, auftrat. Das Ernährungsverhalten während der gesamten Lebensspanne ist jedoch nicht auf eine ausgewogene Ernährung beschränkt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung von Fehlernährung durch die Einnahme energiereicher Diäten, wodurch metabolische Stresszustände induziert werden, die synergistisch mit dem Altern schädigende Effekte auf das endokrine Pankreas verstärken können. Verwendet wurden 7 Wochen alte, zur Entwicklung von Typ-2-Diabetes neigende NZO-Mäuse, die unterschiedlich langen kohlenhydratrestriktiven Fütterungsperioden (junge Mäuse - 11 Wochen, Mäuse mittleren Alters - 32 Wochen), gefolgt von einer 3-wöchigen Kohlenhydratintervention ausgesetzt waren. Dadurch konnten die Auswirkungen von ernährungsbedingtem metabolischem Stress auf die Funktionalität und Integrität von Langerhans-Inseln und deren Beta-Zellen in verschiedenen Altersstufen untersucht werden (Publikation II, Manuskript). Interessanterweise zeigten junge NZO-Mäuse eine massive Hyperglykämie als Reaktion auf den ernährungsbedingten, metabolischen Stress was von Beta-Zelldysfunktion und Apoptose begleitet war. Tiere mittleren Alters zeigten hingegen nur eine moderate Hyperglykämie durch den Erhalt funktioneller Beta-Zellen. Der Verlust funktioneller Beta-Zellmasse in jungen Mäusen war mit einer verminderten Expression des PDX1-Transkriptionsfaktors, einer erhöhten endokrinen AGE-Bildung und damit verbundenem Redox Stress sowie einer TXNIP-abhängigen Induktion des mitochondrialen Apoptosewegs verbunden. Obwohl die Mengen an sekretiertem Insulin sowie das Proliferationspotential in beiden Altersgruppen vergleichbar waren, zeigten die Langerhans-Inseln der Mäuse im mittleren Alter eine anhaltende PDX1-Expression, eine nahezu reguläre Insulinsekretionsfunktion, eine erhöhte Kapazität für das Fortschreiten des Zellzyklus sowie einen Erhalt des Redoxpotentials. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen einen Verlust funktioneller Beta-Zellmasse bei jungen, diabetogenen NZO-Mäusen, der durch ein Redox-Ungleichgewicht und die Induktion apoptotischer Signalwege verursacht wurde. Im Gegensatz dazu scheint das Altern unter physiologischen Bedingungen bei C57BL/6J-Mäusen und in Kombination mit ernährungsbedingtem metabolischem Stress bei NZO-Mäusen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Funktionalität und strukturelle Integrität von Langerhans und Beta-Zellen zu haben, was mit adaptiven Reaktionen auf wechselnde Stoffwechsel-anforderungen assoziiert war. In Anbetracht der negativen Auswirkungen der Alterung muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Kompensationsverhalten von Mäusen zu einem späteren Zeitpunkt erschöpft sein könnte, was schließlich zu einem Verlust der funktionellen Beta-Zellmasse und dem Auftreten und Fortschreiten von Typ-2-Diabetes führt. Die polygene, zu Typ-2-Diabetes neigende NZO-Maus ist ein geeignetes Modell für die Untersuchung von mit Adipositas-assoziiertem Typ-2-Diabetes beim Menschen. Mäuse im fortgeschrittenen Alter zeigten jedoch einen verminderten diabetischen Phänotyp oder reagierten nicht auf die diätetischen Reize. Dies könnte durch das mittlere Alter der Mäuse erklärt werden, das dem menschlichen Alter von etwa 38 bis 40 Jahren entspricht, in dem die Kompensationsmechanismen von Langerhans-Inseln und Beta-Zellen gegenüber metabolischen Stressbedingungen möglicherweise aktiver sind. KW - Alterung KW - aging KW - Beta-Zelle KW - beta-cell KW - metabolischer Stress KW - metabolic stress Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441099 ER - TY - THES A1 - Kochlik, Bastian Max T1 - Relevance of biomarkers for the diagnosis of the frailty syndrome T1 - Die Bedeutung von Biomarkern für die Diagnose des Frailty-Syndroms BT - focus on parameters of muscle protein turnover, micronutrients and oxidative stress BT - 3-Methylhistidine, Mikronährstoffe und oxidativer Stress im Fokus N2 - Frailty and sarcopenia share some underlying characteristics like loss of muscle mass, low muscle strength, and low physical performance. Imaging parameters and functional examinations mainly assess frailty and sarcopenia criteria; however, these measures can have limitations in clinical settings. Therefore, finding suitable biomarkers that reflect a catabolic muscle state e.g. an elevated muscle protein turnover as suggested in frailty, are becoming more relevant concerning frailty diagnosis and risk assessment. 3-Methylhistidine (3-MH) and its ratios 3-MH-to-creatinine (3-MH/Crea) and 3 MH-to-estimated glomerular filtration rate (3-MH/eGFR) are under discussion as possible biomarkers for muscle protein turnover and might support the diagnosis of frailty. However, there is some skepticism about the reliability of 3-MH measures since confounders such as meat and fish intake might influence 3-MH plasma concentrations. Therefore, the influence of dietary habits and an intervention with white meat on plasma 3-MH was determined in young and healthy individuals. In another study, the cross-sectional associations of plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR with the frailty status (robust, pre-frail and frail) were investigated. Oxidative stress (OS) is a possible contributor to frailty development, and high OS levels as well as low micronutrient levels are associated with the frailty syndrome. However, data on simultaneous measures of OS biomarkers together with micronutrients are lacking in studies including frail, pre-frail and robust individuals. Therefore, cross-sectional associations of protein carbonyls (PrCarb), 3-nitrotyrosine (3-NT) and several micronutrients with the frailty status were determined. A validated UPLC-MS/MS (ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry) method for the simultaneous quantification of 3-MH and 1-MH (1 methylhistidine, as marker for meat and fish consumption) was presented and used for further analyses. Omnivores showed higher plasma 3-MH and 1-MH concentrations than vegetarians and a white meat intervention resulted in an increase in plasma 3-MH, 3 MH/Crea, 1-MH and 1-MH/Crea in omnivores. Elevated 3-MH and 3-MH/Crea levels declined significantly within 24 hours after this white meat intervention. Thus, 3-MH and 3-MH/Crea might be used as biomarker for muscle protein turnover when subjects did not consume meat 24 hours prior to blood samplings. Plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR were higher in frail individuals than in robust individuals. Additionally, these biomarkers were positively associated with frailty in linear regression models, and higher odds to be frail were found for every increase in 3 MH and 3-MH/eGFR quintile in multivariable logistic regression models adjusted for several confounders. This was the first study using 3-MH/eGFR and it is concluded that plasma 3-MH, 3-MH/Crea and 3-MH/eGFR might be used to identify frail individuals or individuals at higher risk to be frail, and that there might be threshold concentrations or ratios to support these diagnoses. Higher vitamin D3, lutein/zeaxanthin, γ-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene and β-cryptoxanthin concentrations and additionally lower PrCarb concentrations were found in robust compared to frail individuals in multivariate linear models. Frail subjects had higher odds to be in the lowest than in the highest tertile for vitamin D3 α-tocopherol, α-carotene, β-carotene, lycopene, lutein/zeaxanthin, and β cryptoxanthin, and had higher odds to be in the highest than in the lowest tertile for PrCarb than robust individuals in multivariate logistic regression models. Thus, a low micronutrient together with a high PrCarb status is associated with pre-frailty and frailty. N2 - Gebrechlichkeit (englisch: frailty) und Sarkopenie teilen einige zugrundeliegende Merkmale wie einen Verlust von Muskelmasse, eine geringe Muskelkraft und eine geringe körperliche Leistungsfähigkeit, welche durch einen erhöhten Muskelproteinumsatz entstehen können. Kriterien der Gebrechlichkeit und Sarkopenie werden hauptsächlich durch bildgebende Verfahren sowie funktionelle Untersuchungen gemessen, die in ihrer Durchführbarkeit im klinischen Alltag jedoch eingeschränkt sein können. Daher gewinnt das Finden geeigneter Biomarker zur Anzeige eines erhöhten Muskelproteinumsatzes (kataboler Muskelzustand) in Bezug auf Diagnose und Risikobewertung der Gebrechlichkeit zunehmend an Bedeutung. 3-Methylhistidin (3-MH) und die Verhältnisse 3-MH zu Kreatinin (3-MH/Crea) und 3-MH zu geschätzter glomerulärer Filtrationsrate (3-MH/eGFR) werden als solche möglichen Biomarker diskutiert und könnten folglich die Diagnose und Risikobewertung von Gebrechlichkeit unterstützen. Es herrscht jedoch eine gewisse Skepsis hinsichtlich der Zuverlässigkeit von 3-MH-Messungen, da 3-MH-Plasmakonzentrationen durch Fleisch- und Fischaufnahme beeinflusst werden können. Daher wurde der Einfluss von Ernährungsgewohnheiten (Mischkost oder vegetarisch) und einer Intervention mit Hähnchenfleisch auf Plasma-3-MH bei jungen und gesunden Personen untersucht. In einer weiteren Studie wurden die Querschnittsassoziationen von 3-MH, 3-MH/Crea und 3-MH/eGFR im Plasma mit dem Frailty-Status (robust, pre-frail und frail) untersucht. Oxidativer Stress (OS) ist ein potentieller Faktor der zur Entwicklung von Gebrechlichkeit beiträgt, und sowohl hohe OS-Konzentrationen als auch niedrige Mikronährstoffkonzentrationen sind mit Gebrechlichkeit assoziiert. Daten zu simultanen Messungen von OS und Mikronährstoffen in Personen aller drei Frailty-Kategorien (robust, pre-frail und frail) fehlen jedoch. Aus diesem Grund wurden Querschnittsassoziationen von Proteincarbonylen (PrCarb), 3-Nitrotyrosin (3-NT) und mehrerer fettlöslicher Mikronährstoffe mit dem Frailty-Status bestimmt. Eine validierte UPLC-MS/MS-Methode (ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry) zur simultanen Bestimmung von 3-MH und 1-MH (1 Methylhistidin als Marker für den Fleisch- und Fischkonsum) in Plasma wurde beschrieben und für die weiteren Analysen verwendet. Mischköstler wiesen höhere 3 MH- und 1-MH-Konzentrationen in Plasma auf als Vegetarier. Die Intervention mit Hähnchenfleisch führte zu einem Anstieg von Plasma 3-MH, 3-MH/Crea, 1-MH und 1 MH/Crea bei Mischköstlern. Diese erhöhten 3-MH- und 3-MH/Crea-Spiegel sanken innerhalb von 24 Stunden nach der Intervention signifikant ab. Folglich stellen 3-MH und 3-MH/Crea potentielle Biomarker für den Muskelproteinumsatz dar, wenn Personen für 24 Stunden vor der Blutentnahme kein Fleisch verzehrt haben. Gebrechliche Teilnehmer wiesen höhere Plasma 3-MH-, 3-MH/Crea- und 3 MH/eGFR-Werte auf als robuste Teilnehmer und zusätzlich waren diese Biomarker in linearen Regressionsmodellen positiv mit Gebrechlichkeit assoziiert. In multivariablen logistischen Regressionsmodellen (adjustiert für mehrere Confounder) waren gebrechliche Personen im Vergleich zu robusten Personen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in einer höheren 3-MH- und 3-MH/eGFR-Quintile. Diese erste Studie, die 3-MH/eGFR als Biomarker für Gebrechlichkeit untersucht hat, erlaubt die Schlussfolgerung, dass Plasma-3-MH, -3-MH/Crea und -3-MH/eGFR verwendet werden könnte, um gebrechliche Personen oder Personen mit einem erhöhten Frailty-Risiko zu identifizieren. Möglicherweise gibt es auch Schwellenwerte, die diese Diagnosen unterstützen können. In multivariaten Regressionsanalysen wiesen robuste Personen höhere Vitamin D3-, Lutein/Zeaxanthin-, γ-Tocopherol-, α-Carotin-, β-Carotin-, Lycopin- und β Cryptoxanthin-Konzentrationen sowie niedrigere PrCarb-Konzentrationen auf als gebrechliche Personen. Zudem waren in multinomialen logistischen Regressionsanalysen gebrechliche Personen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit sowohl in der niedrigsten Vitamin D3-, α-Tocopherol-, α-Carotin-, β-Carotin-, Lycopin-, Lutein/Zeaxanthin- und β Cryptoxanthin-Tertil als auch im höchsten PrCarb-Tertil zu finden als robuste Personen. Es wird daher geschlussfolgert, dass niedrige Mikronährstoffkonzentrationen zusammen mit hohen PrCarb-Konzentrationen mit Gebrechlichkeit und dessen Vorstufe (pre-frailty) assoziiert sind. KW - biomarker KW - Biomarker KW - frailty KW - Frailty KW - micronutrients KW - Mikronährstoffe KW - oxidative stress KW - oxidativer Stress KW - 3-methylhistidine KW - 3-Methylhistidin KW - muscle protein turnover KW - Muskelproteinumsatz Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441186 ER - TY - THES A1 - Eichelmann, Fabian T1 - Novel adipokines as inflammatory biomarkers of chronic disease risk Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gaballa, Mohamed Mahmoud Salem Ahmed T1 - New pharmacological approaches targeting vascular calcification in chronic kidney disease BT - Anti-BSP antibody in a rat model of uremic calification T2 - Neue pharmakologische Ansätze in der Behandlung der vaskulären Kalzifizierung bei chronischen Nierenerkrankungen: Anti-BSP-Antikörper in einem Rattenmodell der urämischen Verkalkung Y1 - 2019 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Gottmann, Pascal T1 - In silico Analyse zur Klärung der Beteiligung von micro-RNAs, die in QTL lokalisiert sind, an den metabolischen Erkrankungen Adipositas und Typ-2-Diabetes mit Hilfe von Mausmodellen Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schwerbel, Kristin T1 - Der Einfluss zweier immun-assoziierter GTPasen auf die Entstehung einer Hepatosteatose Y1 - 2019 ER -